實(shí)現(xiàn)模塊化，提高泵的節(jié)能性

文/Hans-Jürgen Bittermann

泵在提高其自身能效和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化之間存在著矛盾沖突——縮短泵的設(shè)計(jì)周期并減少其制造時(shí)間，通過快速擴(kuò)充以實(shí)現(xiàn)泵的多樣性功能，并做到盡可能節(jié)約能效。Enpro的倡議（其主旨是提高化學(xué)工業(yè)的能源效率和增加流程效率）為流程工業(yè)及其相關(guān)項(xiàng)目中，提供了積極的優(yōu)化方案。正如模塊化1.0概念的出現(xiàn)和Hector項(xiàng)目所顯示的那樣，泵的新設(shè)計(jì)也將帶來意想不到的機(jī)會(huì)。本文將講述泵如何實(shí)現(xiàn)模塊化功能，并提高泵的節(jié)能性。

泵消耗了工業(yè)用電的30%，制冷系統(tǒng)、壓縮機(jī)和風(fēng)扇消耗了工業(yè)用電的34%?？傮w來說，旋轉(zhuǎn)設(shè)備消耗了工業(yè)用電的2/3。因此，如何提高能效是Enpro計(jì)劃中的重要關(guān)注點(diǎn)。提高能效在流程工業(yè)中受到高度重視，這一點(diǎn)也不足為奇，提高能效在增加流程效率方面同樣值得重視：工業(yè)4.0正蓬勃發(fā)展，越來越多的人從工業(yè)4.0中受益，人們同時(shí)也更加期待生產(chǎn)技術(shù)有更多的靈活性。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，系統(tǒng)必須易于快速轉(zhuǎn)換，特別是新機(jī)器應(yīng)該能夠以簡單的方式集成到生產(chǎn)過程中。

解決方案中的一種方法是模塊化，它基于兩個(gè)基本點(diǎn)：將工藝設(shè)備細(xì)分為各個(gè)模塊，用于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化技術(shù)所需的模塊化結(jié)構(gòu)。這是流程工業(yè)的典范式轉(zhuǎn)變——從基礎(chǔ)流程操作轉(zhuǎn)向提供模塊化的流程工業(yè)。例如，當(dāng)攪拌槽實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化時(shí)，所謂的模塊化并不是對進(jìn)料閥、溫度控制單元、攪拌器和所需的傳感器進(jìn)行單獨(dú)集成，而是采用有一種被稱為“打印機(jī)驅(qū)動(dòng)程序”的模塊式組件（MTP）進(jìn)行整體模塊化集成。

這是一項(xiàng)可能完成的任務(wù)：德國制造商SEEPEX西派克公司，在與Wago和科隆工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化技術(shù)主席的合作下，于2019年漢諾威博覽會(huì)上展示了基于MTP的泵模塊。它可以被導(dǎo)入各個(gè)制造商的自動(dòng)化系統(tǒng)中，以提供配料和灌裝等服務(wù)。

模塊化

Enpro中的第一階段（Enpro1.0），主要針對泵的模塊化。Enpro1.0在化工領(lǐng)域，主要為能效化工生產(chǎn)提出模塊化的設(shè)備理念。旨在使用模塊化的設(shè)備，以減少項(xiàng)目的運(yùn)行時(shí)間，同時(shí)提高能源效率。

其主要目的是：證明基于模塊化的方法，能夠二次使用在以前項(xiàng)目中就已經(jīng)設(shè)計(jì)好的模塊。在iPAT（Erlangen Nuremberg大學(xué)流程機(jī)械和工廠工程系主任，Eberhard Schlücker教授主持）的項(xiàng)目中，其工作重點(diǎn)就是針對不同類型的泵進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。

根據(jù)所需的工藝參數(shù)，不同類型的泵（如離心泵、偏心螺桿泵、隔膜泵）在能效方面取得不同的良好效果。然而，到目前為止，一直存在的問題是泵通常會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。首先，泵沒有統(tǒng)一的連接幾何形狀（而在Enpro的框架內(nèi)，所有參與的制造商都為其泵提供了統(tǒng)一的連接幾何形狀）。此外，不同類型的泵在泵送性能方面也有不同的特點(diǎn)。

模塊化的互換性必須考慮的一個(gè)重點(diǎn)是泵流量的脈動(dòng)性。脈動(dòng)——對于不同類型的泵，不同程度上都會(huì)產(chǎn)生。為此，針對不同的泵制定改進(jìn)方案，特別是針對其各自的特點(diǎn)。其目的是將不同類型泵的現(xiàn)有脈動(dòng)降低到統(tǒng)一的最低水平。

目前開發(fā)了一種基于模塊化的技術(shù)規(guī)劃方案，目的是從數(shù)據(jù)庫中選擇和配置最合適的設(shè)備，而不需要單獨(dú)設(shè)計(jì)。在化工企業(yè)、工程公司、軟件生產(chǎn)商、設(shè)備制造商和學(xué)術(shù)界的合作下，所需的模塊化設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。模塊化的多功能性是通過將主設(shè)備定義為該模塊的核心來實(shí)現(xiàn)的，并輔以各種附加功能。例如，主設(shè)備可以是特定類型的泵，而沖洗泵所需的管道就是可配置的附加功能。為了使這些設(shè)備模塊適用于化工廠的設(shè)計(jì)，研究人員開發(fā)了一套工程工具，用于評估工藝中設(shè)備的功能及其能效，以便在開始階段選擇最合適、最高效的主要設(shè)備，其他功能將在后續(xù)步驟中添加。給予上述理念的模塊化設(shè)備，被用于整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，可謂是覆蓋了從基礎(chǔ)到詳細(xì)的全部工作。

該設(shè)計(jì)方法在不同工作原理的泵上進(jìn)行了物理演示。此外，設(shè)計(jì)人員開發(fā)了一套監(jiān)測系統(tǒng)，用于動(dòng)態(tài)觀察每個(gè)泵的運(yùn)行狀態(tài)。該系統(tǒng)適用任何類型的泵。設(shè)計(jì)人員開發(fā)了一種創(chuàng)新的阻尼系統(tǒng)，以確保泵排量無脈動(dòng)產(chǎn)生。最后，將開發(fā)一套泵組，其經(jīng)濟(jì)的連接尺寸僅由泵輸送的體積流量決定，而與泵的工作原理無關(guān)。所有這些結(jié)合起來，將能夠快速選擇最節(jié)能的泵，此外，還可以用更高效的模型替換泵。

磨損現(xiàn)象

Enpro 1.0的重點(diǎn)是針對單個(gè)模塊，但Hector項(xiàng)目（針對高效化工廠的技術(shù)運(yùn)營研究項(xiàng)目）的重點(diǎn)是：在整個(gè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)模塊間的高效交互。

Hector項(xiàng)目的參與公司如下：①Evonik（基于泵模塊進(jìn)行的模塊設(shè)計(jì)和維護(hù)）。②Lewa（往復(fù)式隔膜泵磨損和效率的實(shí)驗(yàn)和建模）。③Klaus Union（離心泵模塊化和閥門模塊化）。④IAV（用于診斷模塊和預(yù)測故障的軟傳感器）。⑤Netzsch（用于診斷和預(yù)測螺桿泵磨損的方法）。Hector項(xiàng)目由杜達(dá)姆施塔特的Peter F. Pelz教授帶隊(duì)，他的同事Philipp Wetterich參與該項(xiàng)目。

在Hector項(xiàng)目中，眾多泵廠家對泵的磨蝕性非常關(guān)注?；谀K化設(shè)計(jì)的泵系統(tǒng)中，所設(shè)計(jì)的泵并不是專門針對目前項(xiàng)目進(jìn)行定制的。因此，泵可能并非工作在其最佳的工作狀態(tài)下，那么泵的磨蝕現(xiàn)象勢必非常嚴(yán)重。

Lewa

正如Philipp Trunk博士（數(shù)字創(chuàng)新部項(xiàng)目經(jīng)理）所報(bào)告的：Lewa（作為 一家系統(tǒng)和解決方案提供商）在該項(xiàng)目中，擔(dān)當(dāng)著將模塊組件特征化的任務(wù)。在整個(gè)項(xiàng)目過程中，Lewa負(fù)責(zé)收集運(yùn)行數(shù)據(jù)，并對磨損進(jìn)行記錄。

Lewa公司還負(fù)責(zé)在模塊化、施工方案特征化、與模塊化工廠技術(shù)和流程工業(yè)集成等方面的工作。Lewa公司，可對泵的磨蝕性進(jìn)行模擬預(yù)測，這對于泵的新產(chǎn)品研發(fā)、模塊改造帶來積極 幫助。

此外，與Evonik公司以及其他組件制造商間，在模塊化研究方面相互交互，推動(dòng)了模塊化組件的合理化、標(biāo)準(zhǔn)化，最終將泵（子系統(tǒng)）與整個(gè)工廠（母系統(tǒng)）集成整合。Lewa公司的解決方案將被客戶廣泛接受，并在流程工業(yè)中贏得更多潛在客戶。最重要的是，系統(tǒng)優(yōu)化的概念撬動(dòng)了能效經(jīng)濟(jì)的杠桿。

Klaus Union

Klaus Union公司技術(shù)經(jīng)理Frank Holz表示，其項(xiàng)目的目的是讓泵以可控的方式磨損，以得出有關(guān)實(shí)際泵狀況的結(jié)論。其方法是，對電廠中的泵進(jìn)行監(jiān)測，并對已知的磨損狀態(tài)進(jìn)行跟蹤。這樣做可以降低不可預(yù)見的泵的故障，并將電廠的停車周期降至最低。

Klaus Union

研究各磨損部件與泵性能的關(guān)系，獲取泵相關(guān)性能數(shù)據(jù)與磨損之間的關(guān)系。在泵上安裝盡可能少的傳感器，在第一步中，對新泵的各個(gè)磨損部件（例如耐磨環(huán)、節(jié)流環(huán)、滑動(dòng)軸承）進(jìn)行檢查并進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄；在第二步中，檢測所有磨損后的部件，并研究磨損部件對泵性能數(shù)據(jù)的影響。

在苛刻工況下，Klaus Union還將利用這些測試中獲得的一手資料，為客戶針對性地提供新的、更耐磨的部件。

IAV

IAV是一家擁有30多年國際開發(fā)服務(wù)經(jīng)驗(yàn)的專業(yè)公司。為了確保整個(gè)系統(tǒng)中的模塊以經(jīng)濟(jì)高效的方式高效運(yùn)行，IAV負(fù)責(zé)研究軟傳感器的使用。重點(diǎn)不是單個(gè)模塊，而是在整個(gè)系統(tǒng)范圍內(nèi)有針對性地對系統(tǒng)變量進(jìn)行記錄。目的是通過解決因數(shù)據(jù)引發(fā)的沖突，得出模塊磨損狀態(tài)的結(jié)論，并開發(fā)預(yù)測性診斷功能。該項(xiàng)目獲得的信息為模塊化系統(tǒng)的節(jié)能（再）設(shè)計(jì)提供了巨大潛力。

IAV項(xiàng)目經(jīng)理Patrick Stracke說，其目的是在泵級(jí)和整個(gè)系統(tǒng)級(jí)開發(fā)檢測磨損的方法。這樣可以精確診斷系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的故障 部件。

Netzsch

偏心螺桿泵通常在高磨損狀態(tài)下工作。未來，Netzsch將為客戶監(jiān)控泵的磨損狀況，并可以計(jì)劃維護(hù)停車的時(shí)間。全球技術(shù)與產(chǎn)品管理開發(fā)工程師米凱爾·特克尼揚(yáng)（Mikael Tekneyan）表示，Hector項(xiàng)目基于特定傳感器數(shù)據(jù)為偏心螺桿泵進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)奠定了基礎(chǔ)。為此，Netzsch已經(jīng)進(jìn)行了磨損測試，并將數(shù)據(jù)用于建模。

減少復(fù)雜性

在Enpro 1.0計(jì)劃中，諸多案例研究表明，計(jì)算機(jī)輔助、基于模塊的設(shè)計(jì)可以顯著減少新工廠的工作量，縮短項(xiàng)目交付周期。這是因?yàn)轭A(yù)選模塊降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。然而，復(fù)雜性的降低是有代價(jià)的：通過組合有限的模塊選擇而創(chuàng)建的工廠將不會(huì)像根據(jù)應(yīng)用定制的工廠那樣高效。為了將模塊化方法的優(yōu)點(diǎn)與節(jié)能工作相結(jié)合，一方面必須仔細(xì)選擇規(guī)劃階段可用的模塊——標(biāo)準(zhǔn)模塊套件。另一方面，必須通過系統(tǒng)方法來規(guī)劃和運(yùn)營，進(jìn)一步挖掘 優(yōu)化潛力。

泵制造商對于泵的磨損檢測十分關(guān)注。這是因?yàn)椋p涉及到泵使用中的能效問題。只有長期可靠的泵才能實(shí)現(xiàn)泵的長壽命周期，以降低泵的使用成本。